1 Rappresentazioni del piano e dello spazio

bre
1
icem
Rappresentazioni del piano e dello spazio
1.1 Coordinate polari, cilindriche, sferiche
0d
Un punto P del piano cartesiano, di coordinate (x, y), può anche essere individuato
mediante le sue coordinate polari (r, θ). Esse sono definite nel modo seguente.
Indichiamo con r la distanza di P dall’origine O. Se r > 0, sia θ la misura in
radianti, a meno di multipli di 2π, dell’angolo formato dal semiasse positivo delle
ascisse e dalla semiretta uscente dall’origine e passante per P (si veda la Figura
1.1). Usualmente θ è scelto nell’intervallo (−π, π], oppure, in alternativa, nell’intervallo [0, 2π). Se r = 0, cioè se P coincide con l’origine, θ può assumere un
qualunque valore.
Il passaggio dalle coordinate polari (r, θ) a quelle cartesiane (x, y) è espresso
dalle formule
x = r cos θ ,
y = r sin θ .
(1.1)
La trasformazione inversa, qualora θ venga scelto nell’intervallo (−π, π], è data da
e2
x2 + y 2 ,
sion
r=
p

y

arctan ,
se x > 0 ,


x



y


arctan + π , se x < 0, y


x


y
θ = arctan − π , se x < 0, y

x


π


,
se x = 0, y


2



 −π ,
se x = 0, y
2
≥ 0,
< 0,
(1.2)
> 0,
<0 .
Ver
Passiamo ora alla rappresentazione di un punto P ∈ R3 di coordinate cartesiane
(x, y, z). Introduciamo due diversi sistemi di riferimento: le coordinate cilindriche
e quelle sferiche.
Le prime si ottengono semplicemente sostituendo alle coordinate cartesiane
(x, y) le coordinate polari (r, θ) del punto P 0 proiezione ortogonale di P sul piano
2
C. Canuto, A. Tabacco
P = (x, y)
bre
y
r
PSfrag replacements
θ
x
icem
O
Figura 1.1. Coordinate cartesiane e polari nel piano
xy e mantenendo invariata la coordinata z. Indicando con (r, θ, t) le coordinate
cilindriche di P , abbiamo dunque
x = r cos θ ,
y = r sin θ ,
z = t.
P = (x, y, z)
sion
PSfrag replacements
e2
z
0d
Anche in questo caso l’angolo θ è definito a meno di multipli di 2π; qualora esso venga limitato all’intervallo (−π, π], le coordinate cilindriche si esprimono in
funzione delle coordinate cartesiane definendo r e θ mediante le (1.2) (si veda la
Figura 1.2).
p Le coordinate sferiche (r, ϕ, θ) sono definite nel modo seguente. Sia r =
x2 + y 2 + z 2 la distanza di P dall’origine, ϕ l’angolo formato dal semiasse positivo delle z e dalla semiretta uscente dall’origine e passante per P , θ l’angolo
O
x
θ
r
y
P 0 = (x, y, 0)
Ver
Figura 1.2. Coordinate cartesiane e cilindriche nello spazio
1.2 Vettori nel piano e nello spazio
3
PSfrag replacements
P = (x, y, z)
ϕ
x
θ
icem
r
bre
z
y
P 0 = (x, y, 0)
Figura 1.3. Coordinate cartesiane e sferiche nello spazio
0d
formato dal semiasse positivo delle x e la semiretta nel piano xy uscente dall’origine e passante per la proiezione P 0 di P su tale piano (si veda la Figura 1.3). Con
linguaggio geografico, chiamiamo θ la longitudine e ϕ la colatitudine del punto
P (mentre la quantità π2 − ϕ è la latitudine, misurata qui in radianti).
Abbiamo quindi z = r cos ϕ, mentre x = r 0 cos θ e y = r0 sin θ, essendo r0 la
distanza di P 0 dall’origine; tale quantità può essere espressa come r 0 = r sin ϕ.
Sostituendo, otteniamo la seguente espressione delle coordinate cartesiane di P in
termini delle sue coordinate sferiche (r, ϕ, θ):
x = r sin ϕ cos θ ,
y = r sin ϕ sin θ ,
z = r cos ϕ .
e2
Le trasformazioni inverse si ottengono facilmente riconducendosi al caso bidimensionale; osserviamo solo che è sufficiente far variare l’angolo ϕ in un intervallo di
ampiezza π, ad esempio l’intervallo [0, π), mentre come nel caso bidimensionale θ
varia in un intervallo di ampiezza 2π, ad esempio (−π, π].
1.2 Vettori nel piano e nello spazio
sion
1.2.1 Vettori applicati nell’origine
Ver
Consideriamo il piano munito di un sistema di coordinate cartesiane ortogonali.
Una coppia (x, y) ∈ R2 con (x, y) 6= (0, 0) definisce un vettore v del piano
applicato nell’origine, che si rappresenta come il segmento di estremi O = (0, 0)
e P = (x, y) orientato da O a P (l’orientamento viene in genere indicato da una
freccia avente la punta in P ); si veda la Figura 1.4, a sinistra.
C. Canuto, A. Tabacco
PSfrag replacements
PSfrag replacements
P = (x, y, z)
P = (x, y)
bre
4
v
v
v
v
P = (x, y)
O
icem
P = (x, y, z)
O
O
O
Figura 1.4. Vettore del piano, a sinistra, e dello spazio, a destra
e2
0d
Le coordinate x e y del punto P si dicono le componenti del vettore v (rispetto
al sistema di coordinate cartesiane scelto); si scriverà v = (x, y), identificando di
fatto il vettore v con la sua estremità P .
In modo del tutto analogo, si introducono i vettori dello spazio applicati nell’origine. Un vettore v di componenti (x, y, t) 6= (0, 0, 0) si rappresenta come il
segmento di estremi O = (0, 0, 0) e P = (x, y, z) orientato da O a P , vedasi la
Figura 1.4, a destra; scriveremo v = (x, y, z).
Sia nel piano sia nello spazio, è conveniente introdurre il vettore 0 di componenti tutte nulle, che chiamiamo vettore nullo; esso si rappresenta come il punto
origine O, privo di freccia. In questo modo, i vettori del piano (rispettivamente
dello spazio) applicati nell’origine sono in corrispondenza biunivoca con i punti
di R2 (rispettivamente di R3 ). Nel seguito, sarà conveniente considerare i vettori
applicati nell’origine senza distinguere se siano del piano o dello spazio; il generico
vettore v, di componenti (v1 , v2 ) se vettore del piano oppure (v1 , v2 , v3 ) se vettore
dello spazio, sarà indicato come (v1 , . . . , vd ). In simbolo V indicherà l’insieme dei
vettori del piano, oppure l’insieme dei vettori dello spazio.
Una volta fissato il punto origine O, un vettore è definito intrinsecamente (cioè
indipendentemente dal sistema di coordinate cartesiane) dalla sua direzione, cioè
dalla retta passante per O su cui il vettore giace, dal suo verso, cioè dal verso di
percorrenza della retta rispetto all’origine, e dal suo modulo, cioè dalla lunghezza
del segmento di estremi O e P .
sion
Definiamo ora alcune operazioni sui vettori. Siano v = (v1 , . . . , vd ) e w =
(w1 , . . . , wd ) due vettori. Chiamiamo somma di v e w il vettore v + w le cui
componenti sono la somma delle componenti di uguale indice dei due vettori; ossia
v + w = (v1 + w1 , . . . , vd + wd ) .
(1.3)
Ver
Quando si trattano i vettori, i numeri reali vengono anche detti scalari. Sia quindi
λ ∈ R; definiamo il prodotto dello scalare λ per il vettore v come il vettore
λv le cui componenti sono il prodotto di λ per le componenti di v, vale a dire
1.2 Vettori nel piano e nello spazio
5
Q = (λx, λy)
PSfrag replacements
λv
bre
P = (x, y)
v
O
icem
Figura 1.5. Vettori v e λv
λv = (λv1 , . . . , λvd ) .
(1.4)
Il vettore (−1)v viene indicato con −v e detto l’opposto di v. La differenza v − w
di due vettori è definita come
v − w = v + (−w) = (v1 − w1 , . . . , vd − wd ) .
(1.5)
Le usuali proprietà della somma e del prodotto (associativa, commutativa, distributiva, . . . ) valgono anche per tali operazioni, come si può vedere ragionando
componente per componente.
e2
0d
Le operazioni ora introdotte hanno una semplice interpretazione geometrica. Se
λ > 0, il vettore λv giace sulla stessa retta su cui giace v, è orientato concordemente
e ha modulo pari a λ volte il modulo di v (si veda la Figura 1.5); se λ < 0, allora
λv = −|λ|v = |λ|(−v) e dunque si applicano le considerazioni precedenti con v
sostituito da −v. Diciamo che due vettori v e w sono allineati se w = λv per
un qualche λ 6= 0.
Siano poi v e w due vettori non nulli. Se v e w sono allineati, cioè w = λv,
allora v + w = (1 + λ)v è ancora allineato con v e w. Altrimenti, v e w giacciono
rw
PSfrag replacements
R
Q
sion
v+w
w
rv
P
v
O
Ver
Figura 1.6. Rappresentazione geometrica del vettore somma v + w
6
C. Canuto, A. Tabacco
Q
PSfrag replacements
P
w
O
v−w
−w
Q0
icem
v
bre
R
R0
Figura 1.7. Rappresentazione geometrica del vettore differenza v − w
sion
e2
0d
su rette distinte, rispettivamente rv e rw , che si incontrano nell’origine. Sia Π il
piano individuato da tali rette (ovviamente, se v e w sono vettori del piano, Π
coinciderà con il piano stesso); i vettori v e w individuano un parallelogramma in
tale piano (si veda la Figura 1.6). Precisamente, se indichiamo con P l’estremo di
v e con Q l’estremo di w, il parallelogramma è definito dalle rette rv , rw , dalla
retta parallela a rw passante per P e dalla retta parallela a rv passante per Q; esso
ha vertici O, P, Q ed R, essendo R il vertice opposto all’origine. Allora il vettore
v + w è precisamente la diagonale OR del parallelogramma, orientata da O a R.
Modi equivalenti per individuare l’estremo R di v + w sono quelli di “muoversi”
lungo due lati contigui del parallelogramma: ad esempio, da P possiamo tracciare
il segmento parallelo a OQ, di pari lunghezza e giacente nello stesso semipiano,
rispetto alla retta rv , in cui giace OQ.
Anche la differenza v − w ammette una semplice rappresentazione geometrica. Essendo v − w = v + (−w), possiamo applicare le considerazioni precedenti e
rappresentare v −w come la diagonale uscente dall’origine del parallelogramma individuato dai vettori v e −w (si veda la Figura 1.7). In alternativa, possiamo considerare la diagonale QP del parallelogramma individuato da v e w; “trasportando”
tale segmento parallelamente a se stesso nell’origine, si ottiene v − w.
L’insieme V dei vettori del piano o dello spazio, su cui sono definite le operazioni di somma tra due vettori e di prodotto di uno scalare per un vettore sopra
introdotte, viene detto spazio vettoriale su R. Il vettore v = λv 1 + µv 2 , con
v 1 , v 2 ∈ V e λ, µ ∈ R viene detto combinazione lineare dei vettori v 1 e v 2 ; tale
concetto può essere esteso a un numero finito di addendi.
1.2.2 Modulo e prodotto scalare
Ver
Chiamiamo modulo (o norma euclidea) del vettore v la lunghezza del segmento
OP , vale a dire la distanza euclidea di P dall’origine; esso sarà indicato con kvk.
1.2 Vettori nel piano e nello spazio
7
bre
Il modulo si esprime mediante le componenti di v come
v
p
u d
 v12 + v22
se d = 2 ,
uX
t
vi = p
kvk =

i=1
v12 + v22 + v32 se d = 3 ;
osserviamo che il modulo di un vettore è sempre ≥ 0, e che kvk = 0 se e solo se
v = 0. Notiamo che valgono le seguenti proprietà, la cui dimostrazione sarà data
più avanti: per ogni v, w ∈ V e per ogni λ ∈ R,
kv + wk ≤ kvk + kwk .
(1.6)
icem
kλvk = |λ| kvk ,
Un vettore di modulo 1 viene detto versore; geometricamente, i versori hanno
la loro estremità P giacente sulla circonferenza oppure sulla sfera di centro origine e
v
raggio 1. Dato il vettore non nullo v, possiamo associare ad esso il versore v̂ = kv
k
allineato con v. Si ha dunque v = kvk v̂, il che mostra che ogni vettore può essere
rappresentato come il prodotto della sua norma per un versore.
0d
Definiamo infine l’operazione di prodotto scalare tra due vettori. Detti v =
(v1 , . . . , vd ) e w = (w1 , . . . , wd ) due vettori, il loro prodotto scalare è il numero
reale
(
d
v1 w1 + v 2 w2
se d = 2 ,
X
v·w =
vi wi =
i=1
v1 w1 + v2 w2 + v3 w3 se d = 3 .
Valgono le seguenti proprietà, di facile verifica: per ogni v, w, v1 , v2 ∈ V e λ, µ ∈ R,
si ha
v·w =w·v,
(λv1 + µv2 ) · w = λ(v1 · w) + µ(v2 · w) .
(1.7)
(1.8)
e2
Notiamo poi che la norma di un vettore può essere espressa mediante il prodotto
scalare, essendo per ogni v ∈ V
√
kvk = v · v .
(1.9)
Viceversa, si ha per ogni v, w ∈ V
v·w =
1
kv + wk2 − kvk2 − kwk2 ,
2
(1.10)
sion
il che permette di esprimere il prodotto scalare mediante la norma.
Vale inoltre la seguente importante disuguaglianza, nota come disuguaglianza
di Cauchy-Schwarz: per ogni v, w ∈ V
|v · w| ≤ kvk kwk .
(1.11)
Ancor più precisamente, si può scrivere
Ver
v · w = kvk kwk cos θ
(1.12)
8
C. Canuto, A. Tabacco
R
Q
v+w
P
w
v
O
bre
PSfrag replacements
icem
Figura 1.8. Rappresentazione geometrica del Teorema di Pitagora
dove θ misura l’angolo racchiuso tra i vettori v e w (si noti che il modo di esprimere l’angolo formato dai due vettori è ininfluente rispetto a tale formula, essendo cos θ = cos(−θ) = cos(2π − θ)). Le relazioni (1.10), (1.11) e (1.12) saranno
giustificate più sotto.
Mediante il prodotto scalare, possiamo definire il concetto di ortogonalità tra
vettori. Precisamente, due vettori v e w si dicono ortogonali se
v ·w = 0;
0d
la rappresentazione (1.12) del prodotto scalare mostra che due vettori sono ortogonali quando uno di essi è nullo oppure quando l’angolo formato dai vettori è
retto. Inoltre, ricordando la (1.10), l’ortogonalità di due vettori v e w equivale
all’identità
kv + wk2 = kvk2 + kwk2 ,
ben nota allo studente come Teorema di Pitagora (vedasi la Figura 1.8).
Se v è un vettore e u è un versore, la componente di v lungo u è il vettore
e2
v u = (v · u) u ,
mentre la componente di v ortogonale a u è il vettore
v u⊥ = v − v u .
Si ha dunque la rappresentazione di v
con
sion
v = v u + v u⊥
v u · v u⊥ = 0 ,
Ver
detta decomposizione ortogonale di v rispetto al versore u (vedasi la Figura
1.9).
Introduciamo i versori dello spazio i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0) e k = (0, 0, 1),
che sono allineati rispettivamente con gli assi x, y e z del sistema di riferimento
cartesiano (vedasi la Figura 1.10). È immediato verificare che essi sono a due a
due ortogonali, cioè
i·j = j ·k = i·k = 0;
(1.13)
1.2 Vettori nel piano e nello spazio
9
P
bre
PSfrag replacements
v
v u⊥
Q
R
vu
u
O
icem
Figura 1.9. Decomposizione ortogonale di un vettore v rispetto a un versore u
si dice che i, j, k formano un sistema ortonormale in V (cioè un insieme di
vettori a due a due ortogonali e aventi modulo, o norma, uguale a 1).
Sia ora v = (v1 , v2 , v3 ) un qualunque vettore dello spazio. Dalla definizione
delle operazioni tra vettori, si ha
v = (v1 , 0, 0) + (0, v2 , 0) + (0, 0, v3 )
= v1 (1, 0, 0) + v2 (0, 1, 0) + v3 (0, 0, 1)
e pertanto
0d
v = v1 i + v2 j + v 3 k .
Ciò mostra che ogni vettore dello spazio può essere rappresentato come combinazione lineare dei versori i, j e k; si dice che essi formano una base ortonormale
di V . Il prodotto scalare di v con ciascuno dei vettori ortonormali i, j e k fornisce
un’espressione delle componenti di v come
v1 = v · i ,
v2 = v · j ,
v3 = v · k .
e2
In definitiva, il generico vettore v ∈ V ammette la rappresentazione
v = (v · i) i + (v · j) j + (v · k) k .
(1.14)
z
sion
PSfrag replacements
k
i
j
x
Ver
Figura 1.10. Versori i, j e k
y
C. Canuto, A. Tabacco
Q
w
P
0
θ
w
vu
P
θ
u
P
v
O
u
v
vu
icem
w
u
v
vu
P
O
Q
θ
P0O
bre
10
w
u
v
vu
P
O
Q
θ
P0 Q
P0
Figura 1.11. Proiezione del vettore v lungo il vettore w (angolo tra i vettori acuto, a
sinistra, e ottuso, a destra)
Analogamente, i vettori del piano ammettono la rappresentazione
v = (v · i) i + (v · j) j ,
rispetto alla base ortonormale costituita da i = (1, 0) e j = (0, 1) .
e2
0d
Diamo ora la dimostrazione di alcune proprietà della norma e del prodotto
scalare enunciate sopra. Per quanto riguarda la (1.6), la prima uguaglianza segue
facilmente dalla definizione di norma; la seconda disuguaglianza segue da tale
uguaglianza se v e w sono allineati, mentre traduce la nota proprietà che in un
triangolo la lunghezza di un lato è minore della somma delle lunghezze degli altri
due lati, se i vettori non sono allineati. Infatti, con riferimento al triangolo OP R
della Figura 1.6, si ha kv + wk = |OR|, kvk = |OP | e kwk = |P R|.
La formula (1.10) si ottiene sviluppando la quantità kv +wk2 mediante la (1.9)
e le (1.7), (1.8), come
kv+wk2 = (v+w)·(v+w) = v·v+w·v+v·w+w·w = kvk2 +2v·w+kwk2 . (1.15)
sion
La disuguaglianza di Cauchy-Schwarz (1.11) può essere ottenuta partendo dalla
2
seconda delle (1.6), scritta come kv + wk2 ≤ kvk + kwk . Usando l’identità
precedente a primo membro e svolgendo il quadrato a secondo membro, si ottiene
v · w ≤ kvk kwk, che è la (1.11) nel caso in cui v · w ≥ 0. Se invece v · w < 0, è
sufficiente cambiare v in −v, ottenendo |v ·w| = −v ·w = (−v)·w ≤ k−vk kwk =
kvk kwk.
Dimostriamo infine la (1.12). Siano v e w vettori non nulli (altrimenti la relazione è banalmente verificata per ogni valore di θ). Non è restrittivo supporre
θ soddisfacente 0 ≤ θ ≤ π. Detto u = ŵ = kw
w k il versore associato a w, la
componente di v lungo u si scrive come
Ver
vu =
v·w
u.
kwk
(1.16)
1.2 Vettori nel piano e nello spazio
11
P1
(P0 , v)
bre
P0
PSfrag replacements
v
icem
O
Figura 1.12. Vettore v applicato in P0
Supponiamo dapprima θ acuto, cioè 0 < θ < π/2. Considerando il triangolo rettangolo OP 0 P (vedasi la Figura 1.11, a sinistra) si ha kv u k = |OP 0 | = |OP | cos θ =
kvk cos θ; essendo v u concorde con u, otteniamo
v u = kvk cos θ u .
(1.17)
0d
Se θ è ottuso, π/2 < θ < π, considerando ancora il triangolo OP 0 P (vedasi la
Figura 1.11, a destra) si ha kv u k = kvk cos(π − θ) = −kvk cos θ; essendo ora v u
discorde con u, si ottiene nuovamente la (1.17). Anche nei casi estremi θ = 0, π/2, π
si giunge facilmente alla medesima relazione. Uguagliando i secondi membri delle
(1.16) e (1.17), e osservando che λv = µv equivale a λ = µ se v 6= 0, si perviene
all’uguaglianza
v·w
= kvk cos θ
kwk
e2
da cui otteniamo la (1.12).
1.2.3 Vettori applicati in un punto
Ver
sion
In molte applicazioni, è utile il concetto di vettore applicato in un punto arbitrario
del piano o dello spazio (si pensi ad esempio a una forza, rappresentabile come un
vettore, che agisce su un punto materiale). Tale concetto può essere definito nel
seguente modo.
Sia v un vettore non nullo del piano di componenti (v1 , v2 ) e sia P0 un punto
qualunque del piano, di coordinate (x01 , x02 ). Definiamo il punto P1 di coordinate (x11 , x12 ) = (x01 + v1 , x02 + v2 ) (si veda la Figura 1.12). Il segmento P0 P1 ,
orientato da P0 e P1 , è parallelo al vettore v ed è orientato in modo concorde. Diciamo che esso rappresenta il vettore v applicato in P0 , e lo indichiamo
con (P0 , v). Viceversa, dato un qualunque segmento di estremi P0 = (x01 , x02 )
e P1 = (x11 , x12 ), orientato da P0 a P1 , definiamo il vettore v di componenti
(v1 , v2 ) = (x11 − x01 , x12 − x02 ). Allora il segmento considerato definisce il vettore
v applicato in P0 .
12
C. Canuto, A. Tabacco
1.3 Numeri complessi
p(x) = 0
icem
È ben noto che non tutte le equazioni algebriche
bre
In definitiva, da un punto di vista matematico, un vettore applicato del piano
è una coppia (P0 , v) la cui prima componente è un punto P0 del piano, detto punto
di applicazione, e la cui seconda componente è un vettore v applicato nell’origine.
Nell’uso comune, però, il vettore applicato (P0 , v) verrà indicato semplicemente
con v, precisando però il punto di applicazione P0 . Analoghe definizioni valgono
nello spazio.
(dove p è un polinomio di grado n nella variabile x) ammettono soluzioni in campo
reale. Ad esempio la semplice equazione
x2 = −1 ,
(1.18)
corrispondente all’estrazione della radice quadrata del numero negativo −1, non è
risolubile in R; lo stesso accade per la generica equazione di secondo grado
(1.19)
0d
ax2 + bx + c = 0
e2
qualora il discriminante ∆ = b2 − 4ac sia negativo. Tanto nella matematica pura
quanto in quella applicata, risulta utile poter garantire l’esistenza di una soluzione, opportunamente definita, di ogni equazione algebrica. A tale scopo, l’insieme
dei numeri reali dotato delle operazioni di somma e prodotto può essere ampliato,
introducendo il cosiddetto insieme dei numeri complessi, estendendo nel contempo
tali operazioni e conservandone le proprietà formali. È rimarchevole il fatto che è
sufficiente effettuare tale ampliamento in modo da garantire la risolubilità dell’equazione (1.18) per ottenere, attraverso un profondo risultato noto come Teorema
Fondamentale dell’Algebra, la risolubilità di ogni equazione algebrica.
1.3.1 Operazioni algebriche
sion
Un numero complesso z può essere definito come una coppia ordinata z = (x, y)
di numeri reali x e y. Indicheremo con C tale insieme di coppie, che quindi può
essere identificato con l’insieme R2 . I numeri reali x e y sono detti rispettivamente
parte reale e parte immaginaria di z e indicati con
x = Re z
e
y = Im z .
Ver
Il sottoinsieme dei numeri complessi della forma (x, 0) può essere identificato con
l’insieme dei numeri reali R; in tal senso, scriviamo R ⊂ C. Numeri complessi della
forma (0, y) sono invece detti immaginari puri.
1.3 Numeri complessi
13
z1 = z 2
⇐⇒
x 1 = x2
bre
Diremo che due numeri complessi z1 = (x1 , y1 ) e z2 = (x2 , y2 ) sono uguali se
hanno le stesse parti reali e immaginarie, ossia
e y1 = y2 .
In C, definiamo le operazioni di somma e prodotto come
z1 + z2 = (x1 , y1 ) + (x2 , y2 ) = (x1 + x2 , y1 + y2 )
z1 z2 = (x1 , y1 ) (x2 , y2 ) = (x1 x2 − y1 y2 , x1 y2 + x2 y1 ) .
(x, 0) + (0, y) = (x, y) ,
icem
Osserviamo che
(1.20)
(1.21)
(0, 1) (y, 0) = (0, y)
e quindi
(x, y) = (x, 0) + (0, 1) (y, 0) .
(1.22)
Inoltre le (1.20) e (1.21) diventano le usuali operazioni di somma e prodotto quando
ristrette ai numeri reali:
(x1 , 0) + (x2 , 0) = (x1 + x2 , 0)
e
(x1 , 0) (x2 , 0) = (x1 x2 , 0) .
0d
In tal senso, l’insieme dei numeri complessi è un’estensione naturale dell’insieme
dei numeri reali.
Denotiamo con i il numero immaginario puro (0, 1). Identificando il numero
complesso (r, 0) con il numero reale r, possiamo riscrivere la (1.22) nella forma
z = (x, y) = x + iy ,
e2
detta forma cartesiana o algebrica del numero complesso z.
Osserviamo che
i2 = (0, 1) (0, 1) = (−1, 0) = −1 ,
e quindi il numero complesso i è soluzione dell’equazione (1.18). Usando la forma
cartesiana di un numero complesso, le operazioni di somma e prodotto (1.20) e
(1.21) diventano
(1.23)
z1 z2 = (x1 + iy1 ) (x2 + iy2 ) = x1 x2 − y1 y2 + i(x1 y2 + x2 y1 ) ;
(1.24)
sion
z1 + z2 = (x1 + iy1 ) + (x2 + iy2 ) = x1 + x2 + i(y1 + y2 ) ,
come si vede è sufficiente operare con le usuali regole dell’algebra, tenendo conto
della relazione i2 = −1.
Elenchiamo di seguito alcune proprietà della somma e del prodotto, lasciando
la facile verifica al lettore; per ogni z1 , z2 , z3 ∈ C si ha
Ver
z1 + z 2 = z 2 + z 1 ,
(z1 + z2 ) + z3 = z1 + (z2 + z3 ) ,
z1 (z2 + z3 ) = z1 z2 + z1 z3 .
z1 z2 = z 2 z1 ,
(z1 z2 ) z3 = z1 (z2 z3 ) ,
14
C. Canuto, A. Tabacco
z = x + iy
y
PSfrag replacements
icem
x
bre
Im z
Re z
Figura 1.13. Coordinate cartesiane del numero complesso z = x + iy
I numeri 0 = (0, 0) e 1 = (1, 0) sono rispettivamente l’identità additiva e
moltiplicativa, in quanto soddisfano
z+0=0+z =z
e
z1 = 1z = z,
∀z ∈ C .
0d
L’opposto (additivo) di z = (x, y) è il numero −z = (−x, −y); ovvero si ha
z + (−z) = 0. Utilizzando tale nozione possiamo definire, per ogni z1 , z2 ∈ C, la
sottrazione:
z1 − z2 = z1 + (−z2 )
ovvero
x1 + iy1 − (x2 + iy2 ) = x1 − x2 + i(y1 − y2 ) .
Il reciproco (moltiplicativo) di un numero z 6= 0, indicato con
definito dalla relazione zz −1 = 1; non è difficile verificare che
1
z
oppure z −1 , è
e2
x
−y
1
= z −1 = 2
+i 2
.
z
x + y2
x + y2
Definiamo dunque la divisione, per ogni z1 , z2 ∈ C con z2 6= 0, come
x1 x2 + y 1 y 2
x2 y 1 − x 1 y 2
z1
= z1 z2−1 =
+i
.
z2
x22 + y22
x22 + y22
sion
Infine, sottolineiamo che l’usuale ordinamento dei numeri reali non è estendibile
all’insieme dei numeri complessi, in modo da conservare tutte le proprietà elencate
nel Paragrafo 1.3.1.
1.3.2 Coordinate cartesiane
Ver
È naturale associare al numero z = (x, y) = x + iy il punto del piano cartesiano
di coordinate x e y (si veda la Figura 1.13). Il numero z può anche essere pensato
come il vettore applicato nell’origine e avente tale punto come estremo. L’asse x è
1.3 Numeri complessi
Im z
15
Im z
z1 + z 2
z2
PSfrag replacements
z1 − z 2
z2
bre
PSfrag replacements
z1
z1
z2
z1
z1
z2
Re z
icem
z1 + z 2
Re z
z1 − z 2
z1 − z 2
z1 − z 2
Figura 1.14. Rappresentazione grafica della somma, a sinistra, e della differenza, a
destra, di due numeri complessi z1 e z2
0d
detto asse reale e l’asse y asse immaginario. Osserviamo che, dati z1 , z2 ∈ C,
la somma z1 + z2 corrisponde al vettore somma ottenuto mediante la regola del
parallelogramma (si veda la Figura 1.14, a sinistra), mentre la differenza z1 − z2 è
rappresentata dal vettore differenza (si veda la Figura 1.14, a destra).
Il modulo (o valore assoluto) di z = x + iy, denotato con |z|, è il numero
positivo
p
|z| = x2 + y 2
e2
che rappresenta la distanza del punto (x, y) dall’origine; si osservi che tale definizione coincide con quella di modulo del vettore v associato a z, vale a dire |z| = kvk.
Si osservi inoltre che il modulo di un numero complesso coincide con il valore
assoluto quando il numero è reale, il che giustifica la notazione usata. Notiamo
che, mentre l’affermazione z1 < z2 non ha in generale significato, la diseguaglianza
|z1 | < |z2 | significa che il punto corrispondente a z1 è più vicino all’origine del
punto corrispondente a z2 . La distanza tra i punti corrispondenti a z1 e z2 è data
da |z1 − z2 |.
Per ogni z ∈ C, si ottengono facilmente le seguenti relazioni
|z| ≥ 0 ; |z| = 0 se e solo se z = 0 ;
|z|2 = (Re z)2 + (Im z)2 ;
sion
|z| ≥ |Re z| ≥ Re z , |z| ≥ |Im z| ≥ Im z ;
|z1 | − |z2 | ≤ |z1 + z2 | ≤ |z1 | + |z2 | .
Il complesso coniugato, o semplicemente il coniugato, di un numero complesso z = x + iy, indicato con z̄, è definito come
z̄ = x − iy .
(1.25)
Ver
Graficamente il coniugato z̄ è rappresentato dal punto (x, −y) che si ottiene mediante riflessione rispetto all’asse reale del punto (x, y). Per ogni z, z1 , z2 ∈ C,
valgono le seguenti proprietà
16
C. Canuto, A. Tabacco
Im z
z = x + iy
bre
y
r
PSfrag replacements
θ
Re z
icem
x
Figura 1.15. Coordinate polari del numero complesso z = x + iy
z z̄ = |z|2 ,
z̄ = z ,
|z̄| = |z| ,
z1 + z2 = z̄1 + z̄2 ,
z1 − z2 = z̄1 − z̄2 ,
z1
z̄1
=
(z2 6= 0) .
z2
z̄2
z1 z2 = z̄1 z̄2 ,
Re z =
z + z̄
,
2
0d
È immediato verificare che, per ogni z ∈ C,
Im z =
z − z̄
.
2i
1.3.3 Forma trigonometrica e forma esponenziale
e2
Dato il punto (x, y), siano r e θ le sue coordinate polari; poiché
x = r cos θ
e
y = r sin θ ,
il numero complesso z = (x, y) può essere rappresentato nella forma polare o
trigonometrica come
z = r (cos θ + i sin θ) .
(1.26)
Ver
sion
Si ha r = |z|; il numero θ è detto argomento di z e indicato con θ = arg z.
Geometricamente, arg z è un qualsiasi angolo (misurato in radianti) formato dalla
semiretta dei reali positivi e dal vettore individuato da z (si veda la Figura 1.15).
Pertanto può assumere infiniti valori che differiscono per multipli interi di 2π.
Chiameremo valore principale di arg z, denotato con Arg z, quell’unico valore θ
di arg z tale che −π < θ ≤ π, definito dalla formula (1.2).
Osserviamo che due numeri complessi z1 = r1 (cos θ1 +i sin θ1 ) e z2 = r2 (cos θ2 +
i sin θ2 ) sono uguali se e solo se r1 = r2 e θ1 , θ2 differiscono per un multiplo intero
di 2π.
1.3 Numeri complessi
17
bre
La rappresentazione polare risulta molto utile per esprimere in maniera semplice il prodotto di due numeri e di conseguenza fornisce un’espressione elementare
per il calcolo delle potenze e delle radici di un numero complesso. Più precisamente,
siano
z1 = r1 (cos θ1 + i sin θ1 )
e
z2 = r2 (cos θ2 + i sin θ2 ) ;
Vale dunque la relazione
icem
allora, ricordando le formule di addizione per le funzioni trigonometriche, si ha
z1 z2 = r1 r2 (cos θ1 cos θ2 − sin θ1 sin θ2 ) + i(sin θ1 cos θ2 + sin θ2 cos θ1 )
(1.27)
= r1 r2 cos(θ1 + θ2 ) + i sin(θ1 + θ2 ) .
arg (z1 z2 ) = arg z1 + arg z2 .
(1.28)
Si osservi che tale identità non vale se sostituiamo arg con Arg ; ad esempio, se
z1 = −1 = cos π + i sin π e z2 = i = cos π2 + i sin π2 risulta
z1 z2 = −i = cos −
ovvero
Arg z2 =
π
,
2
Arg z1 + Arg z2 =
3
π
π 6= Arg z1 z2 = − .
2
2
0d
Arg z1 = π ,
π
π
+ i sin −
2
2
Talvolta è comodo esprimere un numero complesso attraverso la cosiddetta forma esponenziale. A tale scopo, estendiamo la definizione di funzione esponenziale
al caso di un esponente immaginario puro, ponendo per ogni θ ∈ R,
eiθ = cos θ + i sin θ .
(1.29)
e2
Tale relazione, nota come formula di Eulero, trova una giustificazione (anzi è
oggetto di dimostrazione) nell’ambito della teoria delle serie in campo complesso. Accontentiamoci qui di prenderla come definizione. L’espressione (1.26) di un
numero complesso z diventa allora
z = reiθ ,
(1.30)
sion
che è, appunto, la forma esponenziale di z.
La relazione (1.27) fornisce immediatamente l’espressione del prodotto di due
numeri complessi z1 = r1 eiθ1 e z2 = r2 eiθ2 , come
z1 z2 = r1 r2 ei(θ1 +θ2 ) ;
(1.31)
Ver
dunque, per moltiplicare due numeri complessi è sufficiente moltiplicare i moduli e
sommare gli argomenti. Per quanto riguarda il quoziente, notiamo che dalla (1.27)
con r1 = r2 = 1, si ottiene
eiθ1 eiθ2 = ei(θ1 +θ2 ) .
(1.32)
18
C. Canuto, A. Tabacco
In particolare,
eiθ e−iθ = 1
icem
r1 i(θ1 −θ2 )
z1
=
e
.
z2
r2
bre
e dunque e−iθ è il reciproco di eiθ ; pertanto il reciproco di un numero complesso
z = reiθ 6= 0 è dato da
1
z −1 = e−iθ .
(1.33)
r
Combinando tale formula con quella del prodotto, otteniamo l’espressione del
quoziente di due numeri complessi z1 = r1 eiθ1 e z2 = r2 eiθ2 6= 0,
(1.34)
Iterando le relazioni (1.31) e (1.33), per ogni n ∈ Z, si ottiene
z n = rn einθ
con z = r eiθ ;
(1.35)
in particolare, quando r = 1, si ottiene la cosidetta formula di De Moivre
(cos θ + i sin θ)n = cos nθ + i sin nθ .
(1.36)
0d
Consideriamo ora il problema del calcolo della radice n-esima di un numero
complesso; fissato un intero n ≥ 1 e un numero complesso w = ρ eiϕ vogliamo
determinare i numeri complessi z = r eiθ soddisfacenti z n = w. Dalla (1.35), si ha
z n = rn einθ = ρ eiϕ = w
ovvero
e2
e dunque, ricordando la condizione di uguaglianza tra due numeri complessi,
dovranno essere verificate le condizioni
n
r = ρ,
nθ = ϕ + 2kπ , k ∈ Z
(
√
n
ρ,
ϕ + 2kπ
θ=
, k ∈ Z.
n
Ricordando la periodicità del seno e del coseno, risultano quindi determinate n
soluzioni distinte del nostro problema
ϕ+2kπ
√
ϕ + 2kπ
ϕ + 2kπ
√
+ i sin
,
k = 0, 1, . . . , n − 1 .
z = n ρ ei n = n ρ cos
n
n
sion
r=
Geometricamente tali punti si trovano sulla circonferenza di centro origine e raggio
√
n ρ e sono i vertici di un poligono regolare di n lati (si veda la Figura 1.16).
Notiamo infine che la (1.29) permette di definire l’esponenziale di un qualunque
numero complesso z = x + iy, ponendo
Ver
ez = ex eiy = ex (cos y + i sin y) .
(1.37)
1.3 Numeri complessi
1+
√
3i
bre
Im z
19
z2
z3
z1
Re z
icem
PSfrag replacements
z4
z5
Figura 1.16. Rappresentazione grafica del punto 1 +
j = 1, . . . , 5
√
3i e delle sue radici quinte, zj ,
0d
Con tale definizione, usando la (1.32), è facile verificare, che la proprietà fondamentale ez1 +z2 = ez1 ez2 continua a valere in campo complesso. Si noti che si
ha
|ez | = eRe z > 0 ,
arg ez = Im z ;
la prima relazione mostra in particolare che ez 6= 0 per ogni z ∈ C. Inoltre, la
periodicità delle funzioni trigonometriche implica che
ez+2kπi = ez ,
e2
per ogni k ∈ Z .
Esempi 1.1 i) Si consideri, per n ≥ 1, l’equazione
zn = 1 .
Scrivendo 1 = 1ei0 , si ottengono le n radici distinte
z = z k = ei
2kπ
n
,
k = 0, 1, . . . , n − 1,
sion
dette le radici n-esime dell’unità. Si noti che per n dispari, si ha un’unica
radice reale z0 = 1, mentre per n pari si hanno due radici reali z0 = 1 e
zn/2 = −1 (si veda la Figura 1.17).
ii) Verifichiamo che l’equazione
z 2 = −1
π
ammette, come ci si aspetta, le due radici z± = ±i. Scriviamo −1 = 1ei 2 da
cui otteniamo
π
Ver
z+ = z 0 = e i 2
e z− = z1 = ei
π+2π
2
π
= e−i 2 = −i .
C. Canuto, A. Tabacco
Im z
PSfrag replacements
Im z
PSfrag replacements
z2
z1
z2
z3
z1
Re z
z1
z2
z3
z4
z5
z6
z2
z3
z1
z4
z3
bre
20
Re z
z6
icem
z5
Figura 1.17. Radici dell’unità: terze, a sinistra, e seste, a destra
1.3.4 Equazioni algebriche
Mostriamo ora che l’equazione di secondo grado
az 2 + bz + c = 0
0d
ammette due soluzioni complesse coniugate nel caso in cui il discriminante ∆ sia
negativo. Non è restrittivo supporre a > 0. Ricordando lo sviluppo del quadrato
di un binomio, possiamo scrivere
c
b
b2
c
b2
b
z2 + z + = z2 + 2 z + 2 + − 2 = 0
a
a
2a
4a
a 4a
ossia
dunque otteniamo
ossia
z+
b
2a
2
=
∆
< 0;
4a2
e2
√
−∆
b
= ±i
z+
2a
2a
√
−b ± i −∆
z=
.
2a
Cardano.
Ver
1
sion
√
−b ± ∆
Tale espressione può essere scritta come z =
, in analogia con il caso di
2a
discriminante ≥ 0.
Le equazioni di terzo e quarto grado ammettono rispettivamente tre e quattro
radici (contate con le opportune molteplicità) che sono esprimibili in forma esplicita mediante le operazioni algebriche e l’estrazione di radici quadrate, cubiche e
quarte1 . Non esiste invece una espressione analitica per le radici di equazioni di
1.4 Esercizi
21
1.4 Esercizi
1. Scrivere in forma algebrica i seguenti numeri complessi:
b) (3 + i)(3 − i)
c)
d)
1 + 2i 2 − i
+
3 − 4i
5i
1
5
+
1
10 i
icem
a) (2 − 3i)(−2 + i)
bre
ordine superiore al quarto. Il Teorema Fondamentale dell’Algebra garantisce però
che ogni equazione algebrica di ordine n ammette esattamente n radici in campo complesso, ciascuna con l’opportuna molteplicità. Tale teorema sarà formulato
nella Sezione 8.2.1.
5
(1 − i)(2 − i)(3 − i)
2. Scrivere in forma trigonometrica ed esponenziale i seguenti numeri complessi:
a) z = i
b) z = −1
c) z = 1 + i
d) z = i(1 + i)
e) z =
1+i
1−i
f) z = sin α + i cos α
a) z =
1
2i
+
1−i i−1
0d
3. Calcolare il modulo dei seguenti numeri complessi:
b) z = 1 + i −
3z − i = 1.
4. Verificare che se |z| = 1 si ha 3 + iz a) z 2 − 2z + 2 = 0
c) z|z| − 2z + i = 0
e) z 2 + iz̄ = 1
e2
5. Risolvere le seguenti equazioni:
i
1 − 2i
b) z 2 + 3iz + 1 = 0
d) |z|2 z 2 = i
f)
z 3 = |z|4
sion
6. Verificare che 1 + i è radice del polinomio z 4 − 5z 3 + 10z 2 − 10z + 4 e trovare
le altre radici.
7. Calcolare z 2 , z 9 , z 20 per
1−i
i
Ver
a) z =
b) z = √
2
1
+
i
3−i
22
C. Canuto, A. Tabacco
1.4.1 Soluzioni
1. Forma algebrica numeri complessi:
b) 2 + i ;
c) − 52 ;
d)
1
2i .
icem
a) −1 + 8i ;
bre
8. Calcolare e rappresentare graficamente i seguenti numeri complessi:
√
√
√
a) z = 3 −i
b) z = 5 1
c) z = 2 − 2i
2. Forma trigonometrica e esponenziale numeri complessi:
π
π
π
a) z = cos + i sin = ei 2 ;
b) z = cos π + i sin π = eiπ ;
2
2
√
√
π
3
π √ iπ
3 √ 3
= 2e 4 ; d) z = 2 cos π+i sin π = 2ei 4 π ;
c) z = 2 cos +i sin
4
4
4
4 π
π
f) cos π2 − α + i sin π2 − α = ei( 2 −α) .
e) cos π2 + i sin π2 = ei 2 ;
3. Modulo numeri complessi:
q
q
5
13
b)
a)
2 ;
5 .
0d
4. Invece di compiere la verifica diretta, moltiplichiamo il denominatore per |z̄|
(= 1) e otteniamo
3z − i 3z − i 3z − i |3z − i|
=
=
3 + iz 3z̄ + i 3z − i = 3z − i = 1 .
5. Risoluzione equazioni:
e2
a) z = 1 ± i ;
b) Applichiamo la formula risolutiva per equazioni di secondo grado e otteniamo
√
√
√
−3i ± 13i
−3 ± 13
−3i ± −9 − 4
=
=
i.
z=
2
2
2
ovvero
sion
c) Scrivendo z = x + iy, l’equazione diventa
p
(x + iy) x2 + y 2 − 2x − 2iy + i = 0 ,
x
p
p
x2 + y 2 − 2x + i y x2 + y 2 − 2y + 1 = 0 .
Ver
Uguagliando parte reale e parte immaginaria del primo e del secondo membro,
otteniamo il sistema
( p
x2 + y 2 − 2 = 0 ,
x
p
y x2 + y 2 − 2y + 1 = 0 .
1.4 Esercizi
23
p
bre
Dalla prima equazione, dovrà essere x = 0 oppure x2 + y 2 = 2. Quest’ultima relazione inserita nella seconda equazione del sistema dà un risultato
impossibile. Pertanto l;e uniche soluzioni possibili saranno
x = 0,
y|y| − 2y + 1 = 0 .
e dunque
x = 0,
y = 1,
icem
Distinguendo i due casi y ≥ 0 e y < 0, otteniamo
x = 0,
x = 0,
e
−y 2 − 2y + 1 = 0 ,
y 2 − 2y + 1 = 0 ,
x = 0,
√
y = −1 ± 2 .
√
Pertanto
= i(−1 ± 2). √
√ le soluzioni sono z = i, z √
2
7
7
1
1
d) z = ±
(1 + i) ;
e) z =
−i ; z =−
−i .
2
2
2
2
2
f) Ricordando che |z|2 = z z̄, l’equazione diventa
z 3 = z 2 z̄ 2
e
⇐⇒
z 2 (z − z̄ 2 ) = 0 .
0d
Allora una soluzione è z = 0 e le altre soddisfano z−z̄ 2 = 0. Ponendo z = x+iy,
si perviene al sistema
x2 − y 2 − x = 0 ,
2xy + y = 0 .
e2
Riscrivendo la seconda equazione come y(2x+1) = 0, si ottengono i due sistemi
(
y = 0,
x = − 21 ,
x(x − 1) = 0 ,
y 2 = 34 .
In definitiva, le soluzioni sono
z = 0;
z = 1;
√
1
3
z=− ±
i.
2
2
sion
6. Poiché il polinomio è a coefficienti reali, oltre alla radice z = 1 + i, vi è anche la
radice coniugata z̄ = 1−i. Pertanto il polinomio è divisibile per (z−1−i)(z−1+i) =
z 2 − 2z + 2 e si ha
z 4 − 5z 3 + 10z 2 − 10z + 4 = (z 2 − 2z + 2)(z 2 − 3z + 2) = (z 2 − 2z + 2)(z − 1)(z − 2) .
Le radici sono quindi
z = 1+i,
Ver
7. Potenze di numeri complessi:
z = 1−i,
z = 1,
z = 2.
PSfrag replacements
24
C. Canuto, A. Tabacco
Im z
z2
Im z
z1
z2
z3
z2
z3
Re z
z1 Re z
z1
z3
z4
z5
z1
z2
z1
z2
z3
z1
z2
z3
z4
z5
Im z
z2
z1
icem
Figura 1.18. Radici cubiche di −i, a sinistra, radici quinte di 1, al centro, e radici
quadrate di 2 − 2i, a destra
a) z 2 = 2i ,
z 9 = −16(1 + i) ,
z 20 = −210 .
b) Razionalizzando i denominatori si ha
√
3+i
1 √
− i = ( 3 − i) .
z=2
4
2
Scrivendo il numero in forma esponenziale, si ha
1 √
π
( 3 − i) = e− 3 i
2
0d
z=
e quindi
e2
√
2
2
1
2
z 2 = e− 3 πi = cos π − i sin π = − (1 + 3i) ;
3
3
2
z 9 = e−3πi = e−πi = cos π − i sin π = −1 ,
√
2
20
1
z 20 = e− 3 πi = e− 3 πi = − (1 + 3i) .
2
8. Calcolo e rappresentazione grafica di numeri complessi:
√
√
a) z1 = 12 3 − i ,
z2 = i ,
z3 = − 21 3 + i .
I numeri sono rappresentati nella Figura 1.18, a sinistra.
b) Scriviamo il numero 1 in forma esponenziale 1 = e0πi . Allora, ricordando che
ea+2π = ea , si ottiene
2
z2 = e 5 πi ,
4
z3 = e 5 πi ,
sion
z1 = 1 ,
4
z4 = e− 5 πi ,
I numeri
rappresentati
Figura 1.18, al centro.
√ sono
√ nella
7
1
c) z1 = 4 8e− 8 πi ,
z2 = 4 8e 8 πi .
I numeri sono rappresentati nella Figura 1.18, a destra.
Ver
z1
z2
z3
z4
z5
z1
z2
PSfrag replacements
bre
PSfrag replacements
2
z5 = e− 5 πi .
Re z